Instituto Tecnológico de Costa Rica

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1 Instituto Tecnológico de Costa Rica Escuela de Ingeniería en Electrónica Sistema de control automático para un cocinador de atún usado para pruebas de cocción en la empresa SARDIMAR S.A. Informe de Proyecto de Graduación para optar por el título de Ingeniero en Electrónica con el grado académico de Licenciatura/Bachillerato Edwin Antonio Guevara Aguirre Cartago, 04 de Agosto de 2008

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4 Resumen La empresa SARDIMAR S.A, es una empresa líder que comercializa sus productos tanto a nivel nacional como internacional. La parte más importante del proceso que se le da al atún se lleva a cabo en el área de cocinadores. En ésta se realiza la cocción mediante estrictas normas de calidad. De la misma forma, en esta área se cuenta con un cocinador pequeño, empleado para llevar a cabo numerosas pruebas para el producto que ingresa a la planta. Sin embargo debido a la ineficiencia de control que presenta, no es posible lograr con exactitud una respuesta adecuada de este sistema. Por lo tanto con este proyecto se pretende dar al cocinador de pruebas un enfoque de control más preciso, el cuál sea capaz de lograr mediante parámetros de recetas enviados por puerto ethernet, en una conexión punto a punto, un sistema que pueda funcionar por si mismo, considerando las diferentes fluctuaciones que se puedan presentar en una cocinada. Lograr el control adecuado del cocinador de pruebas, es de suma importancia, ya que permitirá de esta manera mejorar la merma (aprovechamiento de carne blanca) del atún, permitiendo realizar numerosas pruebas exitosas para perfeccionar las recetas existentes en la empresa que forman parte del proceso de producción. El diseño final se hizo de manera que se permita la escalabilidad del mismo, en donde se de la posibilidad de realizar mejoras con el fin de optimizar su funcionalidad, en relación con el número de entradas o salidas tanto analógicas como digitales que se deseen controlar. Palabras claves: Analógico, digital, merma, puerto ethernet, punto a punto, transmisión de datos. iv

5 Abstract o Summary The company SARDIMAR SA, is a leading company that markets its products both domestically and internationally. The most important part of the process that gives the tuna is done in the kitchen area. In this cooking is done through stringent quality standards. In the same way in this area has a kitchenette, an employee to conduct numerous tests for the product entering the plant. However due to the inefficiency of control that show it is not possible to achieve exactly an appropriate response from this system. It is therefore with this project is intended to give the test kitchens of an approach control more precise, what can be achieved through parameters of recipes sent by ethernet port, at a connection point to point, a system that can operate by itself Considering the different fluctuations that may be presented in a cooked. To achieve adequate control of the kitchen of evidence, it is extremely important as it allows thus improving the decline (use white meat) tuna, allowing successful conduct numerous tests to perfect the recipes in the company as part of the process production. The final design was made so as to enable the scalability of the same, where the possibility of making improvements in order to optimize its functionality, in relation to the number of entrances or exits both analogue and digital wish to be controlled Keywords: Analog, digital, ethernet port, point to point, data transmission. v

6 A mis padres que con su esfuerzo y dedicación me han acompañado durante toda mi vida, y me han dado la oportunidad de alcanzar todas mis metas, a ellos de todo corazón. A mi hermana que ha estado siempre a mi lado brindándome su apoyo. Y especialmente a Dios que me ha dado la vida y ha estado a mi lado siempre. vi

7 Agradecimiento Agradezco al Ing. Roberto Abarca Vargas, por darme la oportunidad de realizar mi proyecto de graduación en la empresa SARDIMAR S.A, por su apoyo brindado, su confianza depositada en mi persona, su interés y preocupación. Al Ing. Jonathan Campos, por brindar todo su apoyo hacia mi persona y sobre todo por mostrar su preocupación durante el tiempo de mi permanencia en la empresa. A todo el personal de mantenimiento de la empresa, por el apoyo brindado y la oportunidad de compartir con ellos, como un gran grupo de trabajo. Por su dedicación, apoyo y esfuerzo, les agradezco de corazón a mis padres y a mi hermana, ya que han sido la base de lo que soy ahora, sin ellos no estaría presentando este informe final. No existe forma de pagarles lo que han hecho por mí. A ellos mis más sinceros agradecimientos. A todos ellos Gracias vii

8 INDICE GENERAL Capítulo 1: Introducción Problema esistente e importancia de su solución Solución seleccionada... 5 Capítulo 2: Metas y objetivos Meta Objetivo general Objetivos específicos... 7 Capítulo 3: Marco teórico Principios relacionados con la solución del problema Tecnología Ethernet Formato de la trama Ethernet Tecnología y velocidad de Ethernet Modelo de referencia de Interconexion de sistemas abiertos (OSI) Unidades de datos Topologías de red Topologías físicas de red Tipos de conexión de las topologías físicas Topologías lógicas de red Protocolo TCP/IP PT100, su operación e instalación Conexión de la PT Conexión con 2 hilos Conexión con 3 hilos Conexión con 4 hilos Precauciones para una PT Reguladores y compensadores de control Diseño del regulador a partir de la grafica de polos y ceros de lazo cerrado Relación entre el comportamiento en el tiempo y la ubicación de polos Estrategia para la síntesis de reguladores de un solo lazo Los diferentes tipos de reguladores y compensadores Características de los controladores P, I, y D El regulador PID Algunos criterios para seleccionar el regulador Parámetros de sintonización en un controlador Capítulo 4: Procedimiento metodológico Reconocimiento y definición del problema Descripción sintética del problema... 42

9 4.2. Obtención y análisis de información Evaluación de las alternativas y síntesis de una solución Implementación de la solución Reevaluación y rediseño Capítulo 5: Descripción detallada de la solución Análisis de soluciones y selección final Generalidades Descripción del hardware PLC micrologix 1100 (1763-L16BBB serie B) Módulos del PLC micrologix 1100 (1763-L16BBB serie B) Módulo 1762-IF Módulo 1762-OF Módulo 1762-IQ Módulo 1762-OB Switch Hirschmann Spider 5TX Solenoide 24 VDC 3/8 NPT Transmisor de presión Cerabar M Conexión del regulador de presión Conexión de la válvula proporcional de vapor Descripción del software Configuración y asignación de la dirección IP a la red LAN empleada para establecer la comunicación de la PC con el sistema de control Configuración del DAServer y del System Management Console Descripción del software de control empleado para la interfaz Configuración de entradas o salidas para el control de datos hacia fuera o hacia adentro desde el PLC a la interfaz de control Descripción del software para el control de la base de datos del sistema Definición de las rutinas de control del sistema Bloque de ingreso Bloque Menú del Sistema Bloque seguridad del Sistema Bloque Recetas Solución para la base de datos requerida por el sistema Solución para realizar el control requerido por el PLC Configuración de la comunicación para el PLC Rutinas de control del PLC Diseño del PID aplicado al sistema Diseño de la etapa para escalar la salida de los sensores Capítulo 6: Análisis y Resultados Resultados Interfaz de control del sistema Recepción de parámetros internamente en el PLC Escalamiento de los sensores de temperatura tipo sonda y pincho para un control interno Escalamiento de los sensores de temperatura tipo sonda y pincho para un control externo Escalamiento del sensor de presión para un control interno Resultados obtenidos de la base de datos Análisis

10 Capítulo 7: Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones Recomendaciones Bibliografía Capítulo 8: Apéndices y Anexos Apéndices Apéndice A.1. Programa de la rutina del main del PLC Apéndice A.2. Teoría básica del control automático Anexos Anexo B.1. Ejemplo de formato de receta que se emplea en el proceso de cocción

11 INDICE DE FIGURAS Figura 3.1. Formato de la trama Ethernet Figura 3.2. Capas del modelo OSI Figura 3.3. Envío de datos de una estación a otra Figura 3.4. Topología en malla Figura 3.5. Topología en estrella Figura 3.6. Topología en estrella extendida Figura 3.7. Topología en anillo Figura 3.8. Topología en bus Figura 3.9. Topología en árbol Figura Conexión punto a punto Figura Conexión multipunto a punto Figura Topología broadcast Figura Transmisión de Tokens Figura Modelo OSI frente al TCP/IP Figura Gráfica característica para un sensor PT Figura Conexión con 2 hilos Figura Conexión con 3 hilos Figura Conexión con 4 hilos Figura Ubicación de los polos del sistema de segundo orden para el plano s Figura Circuito general de regulación Figura Elementos básicos de un controlador PID con retroalimentación Figura 5.1. Micrologix Figura 5.2. Módulo de 4 entradas analógico 1762-IF Figura 5.3. Módulo de 4 salidas analógico 1762-OF Figura 5.4. Módulo de entradas digitales 1762-IQ Figura 5.5. Módulo de salidas digitales 1762-OB Figura 5.6. Switch Hirschmann Spider 5TX Figura 5.7. Solenoide 3/8 NPT Figura 5.8. Transmisor de presión Cerabar M Figura 5.9. Conexión del regulador de presión Figura Conexión para la válvula proporcional de vapor Figura Configuración del protocolo TCP/IP Figura Estado de la conexión LAN Figura Pantalla de ingreso de configuración del ArchestA System Management Console Figura Configuración inicial de los puertos y el objeto para realizar el enlace de comunicación Figura Configuración del objeto necesario Figura Inicialización del puerto Figura Software de Wonderware InTouch Figura Creación del Nombre de Acceso para el control de los datos Figura Creación de una variable declarada como entrada/salida para el ingreso o salida de datos Figura Software SQL Server usado para realizar la base de datos Figura Diagrama de bloques total del sistema a desarrollar Figura Diagrama de bloques de la interfaz de usuario Figura Diagrama interno del bloque Ingreso Figura Diagrama de flujo para el código de ingreso Figura Envío del nombre de usuario a la base de datos Figura Programa en SQL Server para el control de las claves de acceso guardadas en la base de datos... 71

12 Figura Programa en InTouch para verificar el ingreso de los usuarios al sistema Figura Opciones del menú del sistema de la interfaz de usuario Figura Ingreso de nuevas cuentas de usuario Figura Cambiar contraseña Figura Procedimiento CAMBIO_CONTRASE en SQL Figura Eliminar cuentas de usuario del sistema Figura Procedimiento ELIMINAR_USUARIOS en SQL Figura Rutina que permite editar recetas Figura Rutina que permite asignar recetas Figura Eliminar recetas asignadas Figura Eliminar recetas creadas de forma total de la base de datos Figura Eliminar recetas asignadas Figura Procedimiento envío de parámetros en SQL Figura Base de datos del sistema de manipulación de recetas Figura Base de datos del sistema de datos históricos Figura Pantalla de configuración para que el PLC busque la red local a la que se desea conectar Figura Configuración del puerto Ethernet para el PLC Figura Enlace establecido con el PLC Figura Configuración de la comunicación para el PLC Figura Asignación de la dirección IP y la MAC al PLC Figura Verificación de la asignación de la IP y MAC Figura Escogencia del driver necesario para permitir la comunicación por el puerto Ethernet Figura Ingreso de la dirección correspondiente al PLC para finalizar con la configuración requerida para establecer el enlace de comunicación Figura Rutina de inicio del sistema, código en diagrama de escalera Figura Rutina de saltos internos a subrutinas Figura Rutina para el Lader 3, que corresponde al paso Figura Máquina de estados para el control de sprays de agua al atún de los pasos y Figura Control del timer T4:0, verificando que se cumpla el tiempo deseado Figura Control del timer T4:1, para activar el rocío de spray con agua Figura Control del timer T4:2, para la permanencia en OFF de los sprays Figura Finalización de ciclo y salto a una nueva subrutina Figura Diagrama de bloques para una válvula de primer orden y un proceso de primer orden Figura Bloque generalizado: X(s) es la posición del posicionador de la válvula y Q(s) el flujo de vapor del proceso producido por su ubicación Figura Bloque de escalamiento Figura 6.1. Pantalla principal de la interfaz de control Figura 6.2. Pantalla de registro de usuarios del sistema Figura 6.3. Error de ingreso al sistema Figura 6.4. Menú principal de la interfaz Figura 6.5. Menú de funciones para la opción seguridad del sistema Figura 6.6. Usuario no autorizado Figura 6.7. Pantalla de la opción nueva cuenta de usuario de seguridad del sistema Figura 6.8. Pantalla asignar receta Figura 6.9. Lista de recetas del sistema Figura Editando receta número Figura Ingreso de parámetros de la receta al sistema

13 Figura Parámetros de la receta número Figura Eliminar receta número 24 del sistema Figura Confirmación de borrar receta enviada por el sistema Figura Registro de eventos del sistema Figura Inicio de cocinada con la receta número Figura Lista de valores enteros recibidos por el PLC Figura Lista de valores flotantes recibidos por el PLC Figura Escalamiento para los sensores de temperatura Figura Escalamiento para generar la salida de control de la válvula proporcional Figura Escalamiento para el sensor de presión Figura Valores almacenados para la Tabla_Contenido_Recetas Figura Valores almacenados para la Tabla_Lista_Recetas Figura Valores almacenados para la Tabla_Lista_Usuarios Figura A.2.1. Definición de función de transferencia Figura A.2.2. Sistema de control en lazo abierto Figura A.2.3. Sistema de control en lazo cerrado Figura A.2.4. Respuestas dinámicas de un sistema Figura A.2.5. Comportamiento de un sistema de primer orden ante una perturbación tipo escalón Figura A.2.6. Comportamiento de un sistema de segundo orden ante una perturbación tipo escalón

14 INDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Tecnologías Ethernet Tabla 3.2. Efectos de cada uno de los controladores en un sistema de lazo cerrado... 37

15 Capítulo 1: Introducción En esta sección se pretende dar a conocer, mediante una forma clara, el problema concreto que se pretende resolver mediante el desarrollo del proyecto. Se describirá el ambiente en el cual se encuentra inmerso el problema por resolver, su situación actual y los diferentes inconvenientes que se presentan en la empresa por su falta de aplicación para el proceso de producción. De la misma forma se presentará la solución seleccionada, refiriéndose a las restricciones o requerimientos establecidos por la empresa en cuanto a las expectativas esperadas del proyecto Problema existente e importancia de su solución SARDIMAR S.A., es una empresa líder en la producción de atún, sardinas, mariscos, alimentos para mascotas, así como otros derivados del atún. Comercializa sus productos a través de una amplia red de distribuidores, que abarca desde Centroamérica, Norte y Suramérica, el Caribe y Europa. El proceso de producción se inicia en las cámaras frigoríficas, en la cual se realiza una selección y control de calidad de la materia prima recibida, luego se envía a la Planta de Proceso y Enlatado. Una vez ahí, se lleva a cabo un delicado manejo del producto, bajo estrictas normas que rigen en la empresa. El siguiente paso es el cocinarlo, donde las variables de presión y temperatura, controladas automáticamente, garantizan una cocción homogénea del producto recibido. Este proceso se realiza bajo normas sumamente estrictas, en donde se trabaja con una gran variedad de recetas, usada cada una de acuerdo al tipo de atún y peso que se pretende procesar. 1

16 Estas recetas establecen los niveles de presión y temperatura requeridos para dar un adecuado cocinado al atún. Los cocinadores actuales de la empresa, trabajan bajo el concepto de la merma de atún, que se refiere al aprovechamiento de carne blanca que puede ser utilizado como parte de la producción, lo cual es dado por la receta aplicada. Por lo tanto después de cada cocinada el atún es pasado al área de limpieza de éste, en donde se separa la carne blanca de la oscura. Sin embargo la merma puede variar de acuerdo al lugar de procedencia del pescado ya que las recetas no contemplan las aguas de captura del atún. La empresa SARDIMAR S.A cuenta con un área destinada para el cocinado del atún, ésta contiene 5 grandes cocinadores que se encargan de llevar a cabo la correspondiente cocción en relación con el tipo de atún y peso que se desee producir. De la misma forma, en esta área se encuentra un pequeño cocinador el cual permite realizar diferentes pruebas de cocinado para el atún dependiendo de las nuevas recetas que podrían ser aplicadas en el proceso de producción. También es usado para determinar si el atún a procesar presenta algún tipo de enfermedad o si es un producto viejo. Actualmente, el cocinador de pruebas no cuenta con su propio sistema de control, ya que las diferentes variables físicas que permiten el correspondiente cocinado del atún, son manipuladas de forma manual. Éste únicamente cuenta con una válvula de entrada de vapor y un sensor de temperatura tipo sonda que se encarga de monitorear el valor de temperatura deseado. Por lo tanto, para realizar una prueba de cocinado de atún se debe de mantener a una persona a cargo de controlar la entrada de vapor y de agua, dependiendo de la lectura presentada por el sensor de temperatura. 2

17 Actualmente, el cocinador de pruebas presenta muchas deficiencias ya que no posee las diferentes válvulas de vapor, aire, agua, venteo y vacío requeridas. De la misma forma no cuenta con los sensores de temperatura y presión necesarios para llevar a cabo el proceso de cocción, y lo más importante no posee un control que permita el manejo de las variables mencionadas anteriormente. Al no existir un control automático para el cocinador de pruebas, no es posible realizar un análisis de rendimiento en comparación con los cocinadores grandes y no es posible experimentar con nueva recetas que permitan determinar la mejor forma de cocinar el atún. Debido a las deficiencias que presenta el cocinador de pruebas, éste no es usado como se desea, ya que resulta difícil realizar alguna de las recetas mediante el control manual que tiene. De la misma forma resulta muy costoso usar uno de los cocinadores grandes para realizar pruebas de cocción de alguna de las recetas, ya que el gasto que se produciría con respecto a vapor, agua y energía eléctrica sería muy elevado. Por estas situaciones suscitadas, nació la idea de desarrollar un sistema de control automático para el cocinador de pruebas, el cual permita la interacción de las diferentes variables físicas involucradas, logrando de esta manera realizar numerosas pruebas que podrían mejorar el proceso de producción empleado actualmente en la empresa. Como se explicó anteriormente el cocinador de pruebas va a permitir mejorar el aprovechamiento de carne blanca del atún (merma), ya que se podrá aplicar a una muestra del pescado que se desea procesar, una receta y de acuerdo a los resultados obtenidos se modificarían o no los valores de los parámetros de la receta usada, aumentando de esta manera la merma del atún. 3

18 Este proyecto ha ocasionado un gran interés para la empresa pues permitirá obtener, en un futuro, basándose en las normas internas un software de control propio para los cocinadores empleados en el proceso de cocción del atún. Con este sistema, y las condiciones actuales que poseen los equipos en SARDIMAR S.A, se tendrá un aspecto más tecnológico que dará una mayor aplicación para el proceso productivo, ayudándole a mantener el liderazgo comercial. 4

19 1.2. Solución seleccionada. Para dar solución a la problemática que presenta actualmente la empresa se propone diseñar e implementar un sistema de control automático para un cocinador de pruebas de atún que permita controlar las diferentes variables físicas involucradas en el proceso. El sistema contará con una interfaz de aplicación, que permita la interacción hombre-maquina, la cuál llevará a cabo el control del sistema, así como la visualización del proceso de cocinado que se esté desarrollando. Todas las variables involucradas en el proceso de cocinado como: temperatura, presión, vapor, corriente, voltaje serán almacenadas en un registro que será destinado para tal fin en tiempo real. Por lo tanto, es necesario el diseño de un sistema que pueda funcionar como base de datos, en donde se irán almacenando estas variables desde el momento que se inicia la hora de cocido hasta que termina, esto con el objetivo de llevar un control sobre el proceso aplicado. Para realizar el proceso de cocinado del atún es de suma importancia controlar las diferentes válvulas que permiten la entrada de las variables físicas encargadas de llevar a cabo la cocción del producto. Para esto es importante diseñar un sistema que sea capaz de controlar las siguientes válvulas: _válvula de presión. _válvula de aire. _válvula de agua. _válvula de venteo. _válvula de vacio. _válvula de vapor. Las diferentes señales que estarán involucradas en el proceso serán controladas mediante un software de aplicación de alto nivel, el cual estará a 5

20 cargo de un modulo esclavo destinado para entradas y salidas, las cuales pueden ser tanto digitales como analógicas. La manipulación adecuada de los datos obtenidos es importante para un sistema de lectura comprensible, que pueda ser interpretado por los encargados de áreas que no se encuentran dentro del proceso de cocinado. Para tal efecto se procederá a establecer un protocolo de comunicación entre el sistema que funcionará como base de datos y la red local de la empresa. De la misma forma se pretende realizar una base de datos que contenga varias recetas de acuerdo al tipo de atún y peso que se pretenda producir. Las cuáles, deben poder ser cargadas por el sistema de control para de esta forma iniciar automáticamente el proceso de cocinado. Para esto se empleará una comunicación por Ethernet que permita enviar los datos desde la PC encargada de la interfaz de aplicación, al sistema de control del cocinador. Así mismo, se debe verificar si los sensores de temperatura o de presión, provenientes del cocinador de pruebas de la empresa, se pueden acoplar directamente al sistema de control, o si será necesaria una etapa de acondicionamiento de señales; para en este caso implementar esta etapa. Se debe evitar cualquier variación de datos, existente entre la medición indicada por las variables y el control principal, pues uno de los propósitos de este proyecto es transmitir y almacenar, precisamente, la información obtenida. El sistema a diseñar contará con un reloj de tiempo real, el cual permitirá agregar la hora de inicio de cocido, tipo de receta, temperatura y presión, que están involucrados en el proceso de cocinado. Para ello se enviarán los datos de las lecturas de los sensores mediante puerto Ethernet a la interfaz de aplicación. Durante el transcurso del proyecto se deben tomar en cuenta las disposiciones y recomendaciones, por parte del personal interno, el protocolo de la empresa para la manipulación de los sistemas de medición y el equipo presente en los procesos de producción. 6

21 Capítulo 2: Metas y objetivos 2.1. Meta Lograr que el control automático del cocinador de pruebas de atún aumente en un 5% el rendimiento de aprovechamiento de carne blanca, en comparación con el software actual de los cocinadores empleados en el proceso de producción. Indicador: Aumentar en al menos un 5% el rendimiento de aprovechamiento de carne blanca del atún en el proceso de cocinado Objetivo general Diseñar e implementar un sistema de control automático para un cocinador de pruebas de atún que permita el manejo de las diferentes variables físicas involucradas en el proceso según se especifique en una receta. Indicador: El sistema capaz de controlar automáticamente las variables importantes en el proceso de cocido 2.3. Objetivos específicos Implementar un sistema que permita monitorear y controlar presiones de aire que van desde los 0 a 120 milibares. Indicador: Obtener valores de presiones de aire que van desde los 0 a los 120 milibares Diseñar un sistema que permita monitorear y controlar presiones de vapor que van desde los 0 a los 130 psi. Indicador: Obtener valores de presiones de vapor que van desde los 0 a los 130 psi. 7

22 Diseñar un sistema que permita monitorear y controlar corrientes de salida para un rango entre los 4 a 20 ma. Indicador: Control de corrientes de salidas entre los 4 a 20 ma Diseñar un sistema de control de temperaturas que se encuentre dentro del rango de -40 C a 150 C. Indicador: Control de rangos de temperaturas entre -40 C a Diseñar un sistema de control HMI para la interacción hombremaquina, que permita la selección de recetas y su debido control automático del cocinador de pruebas. Indicador: Obtención de código en lenguaje de alto nivel para control de información Implementar un módulo de interpretación de recetas que permita traducir a una lógica de control de variables físicas dentro del cocinador. Indicador: Interpretación de variables físicas al 100 % Diseñar un módulo de comunicación de datos por puerto Ethernet entre el módulo de entradas-salidas, y una PC, mediante el protocolo TCP/IP. Indicador: Verificar mediante el algoritmo MD5, que se genera un número de 128 bits en los extremos de la comunicación Diseñar un módulo de almacenamiento de información como temperatura, presión, tipo de receta y hora de inicio de cocción, el cual permita crear una base de datos del sistema. Indicador: Almacenamiento de datos en un 100 %, cada 1 segundo. 8

23 Diseñar un módulo de control el cual sea capaz de tomar los datos de las lecturas de los sensores e insertarlos en un protocolo de comunicación, con el fin de enviarlos en una trama identificable. Indicador: obtención de hardware y/o software de control Diseñar un software para crear y almacenar diferentes recetas, mediante una base de datos, que permita enviarlas vía Ethernet para variar el sistema de control del cocinador. Indicador: El grado de confiabilidad de los datos almacenados debe ser del 100% Implementar un módulo de seguridad que sea capaz de generar alarmas y tomar acciones correctivas en caso de riesgo. Indicador: Obtención de hardware y software de seguridad. 9

24 Capítulo 3: Marco teórico 3.1. Principios relacionados con la solución del problema Tecnología Ethernet Ethernet es el nombre que se le ha dado a una popular tecnología LAN de conmutación de paquetes inventada por Xerox PARC a principios de los años setenta. Ethernet se ha vuelto una tecnología LAN popular. Cada cable Ethernet tiene aproximadamente ½ pulgada de diámetro y mide hasta 500 m de largo. Se añade una resistencia entre el centro del cable y el blindaje en cada extremo del cable para prevenir la reflexión de señales eléctricas. Ethernet define las características de cableado y señalización de nivel físico y los formatos de trama del nivel de enlace de datos del modelo OSI. Ethernet se refiere a las redes de área local y dispositivos bajo el estándar IEEE que define el protocolo CSMA/CD, aunque actualmente se llama Ethernet a todas las redes cableadas que usen el formato de trama descrito más abajo, aunque no tenga CSMA/CD como método de acceso al medio. Una conexión Ethernet de cable grueso requiere de un conector AUI, una conexión para Ethernet de cable delgado requiere de un conector BNC y una conexión para 10base-T requiere de un conector RJ45 que recuerda a los conectores modulares utilizados en los teléfonos Formato de la trama de Ethernet La trama Ethernet se caracteriza por estar formada por los siguientes campos: Preámbulo: Un campo de 7 bytes (56 bits) con una secuencia de bits usada para sincronizar y estabilizar el medio físico antes de iniciar la transmisión de datos. 10

25 El patrón del preámbulo es: SOF (Start Of Frame) Inicio de Trama: Campo de 1 byte (8 bits) con un patrón de 1s y 0s alternados y que termina con dos 1s consecutivos. El patrón del SOF es: Indica que el siguiente bit será el más significativo del campo de dirección MAC de destino. Aunque se detecte una colisión durante la emisión del preámbulo o del SOF, el emisor debe continuar enviando todos los bits de ambos hasta el fin del SOF. Dirección de destino: Campo de 6 bytes (48 bits) que especifica la dirección MAC de tipo EUI-48 hacia la que se envía la trama. Esta dirección de destino puede ser de una estación, de un grupo multicast o la dirección de broadcast de la red. Cada estación examina este campo para determinar si debe aceptar el paquete. Dirección de origen Campo de 6 bytes (48 bits) que especifica la dirección MAC de tipo EUI-48 desde la que se envía la trama. La estación que deba aceptar el paquete conoce por este campo la dirección de la estación origen con la cual intercambiará datos. Tipo Campo de 2 bytes (16 bits) que identifica el protocolo de red de alto nivel asociado con el paquete o, en su defecto, la longitud del campo de datos. La capa de enlace de datos interpreta este campo. Datos Campo de 46 a 1500 Bytes de longitud. Cada Byte contiene una secuencia arbitraria de valores. El campo de datos es la información recibida del nivel de red (la carga útil). FCS (Frame Check Sequence - Secuencia de Verificación de Trama) Campo de 32 bits (4 bytes) que contiene un valor de verificación CRC (Control de redundancia cíclica). El emisor calcula este CRC usando los campos 11

26 destino, origen, tipo y datos. El receptor lo recalcula y lo compara con el recibido a fin de verificar la integridad de la trama. Figura 3.1. Formato de la trama Ethernet Tecnología y velocidad de Ethernet Las tecnologías Ethernet que existen se diferencian en estos conceptos: Velocidad de transmisión - Velocidad a la que transmite la tecnología. Tipo de cable - Tecnología del nivel físico que usa la tecnología. Longitud máxima - Distancia máxima que puede haber entre dos nodos adyacentes (sin estaciones repetidoras). Topología - Determina la forma física de la red. Bus si se usan conectores T (hoy sólo usados con las tecnologías más antiguas) y estrella si se usan hubs (estrella de difusión) o switches (estrella conmutada). En la tabla 3.1, se especifican los conceptos en las tecnologías Ethernet más importantes. 12

27 Tabla 3.1. Tecnologías Ethernet Modelo de referencia de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI). El modelo de regencia OSI, es el modelo principalmente utilizado para permitir las comunicaciones de red. Los protocolos se pueden dividir en varias categorías. El modelo de referencia OSI es una de las opciones que existe para realizar la división por categorías de un protocolo y este es uno de lo más usados. Este modelo corresponde a una estructura que permite comprender como viaja la información entre nodo a nodo a través de la red. De la misma forma está constituido por siete capas, cada una de ellas con una función específica y se distribuyen como se muestra en la figura

28 Figura 3.2. Capas del modelo OSI. Los datos bajan por las diferentes capas de la pila OSI de la computadora emisora y suben por la pila OSI de la receptora. Los encabezados que son parte de las diferentes capas se van eliminando a medida que los datos suben por la capa OSI hacia el destino deseado. Al dividirse la red en las siete capas mostradas anteriormente, se proporcionan las siguientes ventajas: Divide la comunicación de red en partes más pequeñas y sencillas. Facilita la normalización de los componentes de la red, al permitir el desarrollo y el soporte de múltiples fabricantes. Permiten que diferentes tipos de hardware y software de red se comuniquen entre si. Impide que los cambios de una capa afecten a las otras, por lo que se pueden desarrollar más rápidamente. Divide la comunicación de la red en partes más pequeñas para hacer más fácil su comprensión y entendimiento. 14

29 Las diferentes capas del modelo OSI mostrados en la figura 3.2, presentan un conjunto de funciones que deben realizar para que un paquete de datos pueda viajar desde el origen hasta el destino en una red. A continuación se dará una breve descripción de las diferentes funciones que presenta cada capa de este modelo: Capa 7. Capa de aplicación: Qué se desea hacer? Es la capa más cercana al usuario. Brinda servicios como acceso e impresión de los ficheros para las diferentes aplicaciones deseadas. No proporciona servicios a ninguna otra capa que se encuentra a nivel inferior. También sincroniza y establece un acuerdo en los procedimientos para la recuperación de errores e integridad en el control de los datos. Capa 6. Capa de presentación: Cómo me entenderá el otro proceso? Esta capa toma los datos de la capa de aplicación y los convierte a un formato que puede ser leído por otros componentes de la red. Funciona como un tipo de codificador y decodificador. Capa 5. Capa de sesión: Con quién y cómo se establecerá la comunicación? Es la capa encargada de establecer y gestionar el enlace de comunicación entre el emisor y el receptor. Capa 4. Capa de transporte: Dónde esta el otro proceso? Esta capa se encarga de controlar el flujo de datos entre los nodos que mantienen una comunicación. Específicamente lograr un transporte fiable entre dos hosts es su objetivo. Al proporcionar un servicio de comunicación, la capa de transporte establece, mantiene y finaliza adecuadamente los circuitos virtuales. Capa 3. Capa de red: Cómo se llega al otro proceso? La capa de red es una capa compleja que proporciona conectividad y una selección de ruta entre dos host que pueden estar ubicados en redes 15

30 geográficamente separadas, además es la encargada del direccionamiento lógico. Capa 2. Capa de enlace de datos: Cómo es ir a través de esa ruta? En esta capa del modelo los paquetes de datos son ubicados en tramas, las cuales las define la arquitectura de la red. Esta capa se encarga de desplazar los datos por el enlace físico de comunicación hasta el receptor. De este modo, se ocupa del direccionamiento físico, de la topología de la red, del acceso a la red, de la notificación de errores, de la distribución ordenada de tramas y del control de flujo. Capa 2. Capa física: Cómo se puede conectar al medio? Aquí las tramas de datos provenientes de la capa de enlace de datos se convierten en una secuencia única de bits que pueden transmitirse por el entorno físico de la red. Define las especificaciones eléctricas, mecánicas, de procedimiento y funcionales para activar, mantener y desactivar el enlace físico entre sistemas finales Unidades de datos El intercambio de información entre dos capas OSI consiste en que cada capa en el sistema fuente le agrega información de control a los datos, y cada capa en el sistema de destino analiza y remueve la información de control de los datos como se muestra en la figura 3.3. Si un ordenador (host A) desea enviar datos a otro (host B), en primer término los datos deben empaquetarse a través de un proceso denominado encapsulamiento, es decir, a medida que los datos se desplazan a través de las capas del modelo OSI, reciben encabezados, información final y otros tipos de información. 16

31 Figura 3.3. Envío de datos de una estación a otra Topologías de red La disposición de los diferentes componentes de una red se conoce con el nombre de topología de red. Existen dos tipos de topologías en una red de comunicaciones: Topología Física: se refiere a la disposición real de los dispositivos de comunicación. Topología Lógica: describe el comportamiento del flujo de información en la red, lo cual es utilizado para determinar donde pueden producirse las colisiones. Por lo tanto una red puede tener una topología física y de la misma forma una topología lógica completamente diferente. Los dos tipos más comunes de topologías lógicas son Broadcast y transmisión de tokens. 17

32 Topologías físicas de red Como se menciono anteriormente, la topología física se refiere a la disposición que tienen los dispositivos que forman parte de ella en un área determinada. Dentro de las topologías físicas de red más destacadas se encuentran: la de bus, la topología en anillo, en estrella, en malla y la de árbol. Topología en malla Esta topología tiene distribuidas redes en forma regular que generalmente solo pueden comunicarse con el vecino más cercano del nodo, como se muestra en la figura 3.4. Los nodos de estas redes son idénticos, debido a ello, las mallas también son conocidas como redes de igual a igual (peer to peer). Una ventaja de la conexión malla es que, al ser todos los nodos idénticos y tener el mismo nivel de procesamiento y transmisión, ciertos nodos pueden ser escogidos como lideres de grupo, los cuales realizan funciones adicionales. Figura 3.4. Topología en malla. Topología en estrella Todos los nodos se encuentran conectados a un solo nodo concentrador, el cual manipula una mayor cantidad de datos, procesos de enrutamiento y capacidad de toma de decisiones que los otros nodos. Si uno de los enlaces es deshabilitado, solo afecta un solo nodo. Sin embargo, si el concentrador deja de funcionar toda la red desaparece. 18

33 Figura 3.5. Topología en estrella. Topología en estrella extendida Esta enlaza diversas estrellas a través de sus nodos concentradores, extendiendo de esta manera la longitud y el tamaño de la red. Presenta como ventaja que limita el número de dispositivos necesarios para interconectar cualquier nodo concentrador. Figura 3.6. Topología en estrella extendida. Topología en anillo En esta topología todos los nodos realizan las mismas funciones y no existe un nodo líder. La desventaja que presenta es cuando el anillo es cortado, provocando de esta manera la pérdida de la comunicación. Para evitar el caso antes mencionado se emplea una configuración de doble anillo, utilizando un anillo primario para el funcionamiento normal y uno de respaldo en caso de que el primario sea cortado. 19

34 Figura 3.7. Topología en anillo. Topología en bus Esta configuración tiene todos los nodos directamente conectados a un solo enlace (backbone). Cada uno de los nodos verifica la dirección destino en el encabezado del mensaje, en caso de que no corresponda con su dirección, el mensaje es descartado. Este tipo de topología es pasiva en el sentido de que cada nodo simplemente escucha el mensaje y no es responsable de la retransmisión de ningún mensaje. Figura 3.8. Topología en bus. 20

35 Topología en árbol No se utiliza un nodo concentrador, sino que utiliza un nodo troncal el cuál se ramifica a los demás nodos correspondientes. El flujo de información es jerárquico. Figura 3.9. Topología en árbol Tipos de conexión de las topologías físicas Las topologías físicas están identificadas por un tipo de conexión. Básicamente, en una red pueden haber dos tipos de conexión: la conexión punto a punto y la conexión multipunto a punto. Conexión punto a punto Una conexión de este tipo representa un enlace que está caracterizado por la conexión física entre dos unidades de trabajo hasta alcanzar su destino, estando conectadas entre ellas y nadie más. Características: Poseen un costo relativamente bajo. Admite la utilización de diferentes medios físicos de transmisión. Es de fácil implementación. 21

36 Figura Conexión punto a punto Conexión multipunto a punto Esta conexión posee la característica fundamental de que existe un origen y múltiples destinos. Las líneas del tipo multipunto se utilizan para reducir el número de líneas requeridas para conectar estaciones y minimizar el coste de las mismas. En ocasiones se requiere implementar conceptos de control de acceso a estas líneas para evitar conflictos de uso de canal ya que hay un único medio de comunicación para todas las unidades. Una red de este tipo llega a ser generalmente más compleja. Características: Economiza líneas de conexión, módems, adaptadores, puertos del procesador. El sistema opera mediante la técnica del monitoreo. Permite la flexibilidad de crecimiento. El software y hardware son relativamente complejos. 22

37 Figura Conexión multipunto a punto Topologías lógicas de Red Topología Broadcast En esta configuración cada nodo envía sus datos hacia todos los demás nodos sin considerar un orden específico. Los dispositivos no siguen ningún orden para utilizar la red, sino que cada uno accede a la red para transmitir datos en el momento en que lo necesite. En la figura 3.12, se presenta una topología broadcast, en donde cada estación puede ver todas las tramas, aunque una estación determinada no sea el destino propuesto para esos datos. Cada nodo examina las tramas que recibe para determinar si corresponden al destino. De ser así, la trama pasa a una capa de protocolo superior dentro de la estación para su adecuado procesamiento, si ésta no corresponde al destino final de la trama, es ignorada. Figura Topología broadcast. 23

38 Topología Token La transmisión de tokens controla el acceso a la red al transmitir un token eléctrico de forma secuencial a cada nodo. Cuando un nodo recibe un token, significa que puede enviar datos a través de la red. Si el nodo no tiene ningún dato para enviar, transmite el token hacia el siguiente nodo y el proceso se vuelve a repetir. Figura Transmisión de Tokens PROTOCOLO TCP/IP TCP/IP es el protocolo común utilizado por las computadoras que se encuentran conectadas a Internet, de manera que éstas puedan comunicarse entre sí. Hay que tener en cuenta que en Internet se encuentran conectados ordenadores de clases muy diferentes y con hardware y software incompatibles en muchos casos, además de todos los medios y formas posibles de conexión. Aquí se encuentra una de las grandes ventajas del TCP/IP, pues este protocolo se encargará de que la comunicación entre todos sea posible. TCP/IP es compatible con cualquier sistema operativo y con cualquier tipo de hardware. La arquitectura de un sistema en TCP/IP tiene una serie de objetivos: 24

39 o o o o La independencia de la tecnología usada en la conexión a bajo nivel y la arquitectura de la computadora. Conectividad universal a través de la red. Reconocimientos de extremo a extremo. Protocolos estandarizados. Los dos protocolos más importantes son el TCP (Transmission Control Protocol) y el IP (Internet Protocol), que son los que dan nombre al conjunto. En la figura 3.14, se presenta la estructura de este protocolo, el cual se compone de 4 capas que abarcan desde el envío de señales, hasta la presentación de los datos en la pantalla de un dispositivo (monitor, celular, etc). Usualmente se le compara con el modelo OSI (el que está a la izquierda) y se muestran las similaridades entre las capas. Figura Modelo OSI frente al TCP/IP. 25

40 PT100, su operación e instalación Un Pt100 es un sensor de temperatura. Consiste en un alambre de platino que a 0 C tiene 100 ohms y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. El incremento de la resistencia no es lineal pero si creciente y característico del platino, de tal forma que mediante tablas es posible encontrar la temperatura exacta a la que corresponde. Figura Gráfica característica para un sensor PT100. Una Pt100 es un tipo particular de RTD (Dispositivo Termo Resistivo). Normalmente las Pt100 industriales se consiguen encapsuladas en la misma forma que las termocuplas, es decir dentro de un tubo de acero inoxidable ú otro material (vaina), en un extremo está el elemento sensible (alambre de platino) y en el otro está el Terminal eléctrico de los cables protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). Por otra parte los Pt100 siendo levemente más costosos y mecánicamente no tan rígidos como las termocuplas, las superan especialmente en aplicaciones de bajas temperaturas. (-100 a 200 ). 26

41 Las Pt100 pueden fácilmente entregar precisiones de una décima de grado con la ventaja que la Pt100 no se descompone gradualmente entregando lecturas erróneas, si no que normalmente se abre, con lo cual el dispositivo medidor detecta inmediatamente la falla del sensor y da aviso. Este comportamiento es una gran ventaja en usos como cámaras frigoríficas donde una desviación no detectada de la temperatura podría producir algún daño grave. Además la Pt100 puede ser colocada a cierta distancia del medidor sin mayor problema (hasta unos 30 metros) utilizando cable de cobre convencional para hacer la extensión Conexión de la PT100 Existen 3 modos de conexión para las Pt100, cada uno de ellos requiere un instrumento lector distinto. El objetivo es determinar exactamente la resistencia eléctrica R (t) del elemento sensor de platino sin que influya en la lectura la resistencia de los cables Rc. A continuación se presentarán los tipos de conexiones existentes Conexión con 2 hilos El modo más sencillo de conexión (pero menos recomendado) es con solo dos cables. En este caso las resistencias de los cables Rc1 y Rc2 que unen la Pt100 al instrumento se suman generando un error inevitable. El lector medirá el total R (t)+rc1+rc2 en vez de R (t). Lo único que se puede hacer es usar cable lo más grueso posible para disminuir la resistencia de Rc1 y Rc2 y así disminuir el error en la lectura. 27

42 Figura Conexión con 2 hilos Conexión con 3 hilos El modo de conexión de 3 hilos es el más común y resuelve bastante bien el problema de error generado por los cables. Figura Conexión con 3 hilos. El único requisito es que los tres cables tengan la misma resistencia eléctrica pues el sistema de medición se basa (casi siempre) en el "puente de Wheatstone". Por supuesto el lector de temperatura debe ser para este tipo de conexión Conexión con 4 hilos El método de 4 hilos es el más preciso de todos, los 4 cables pueden ser distintos (distinta resistencia) pero el instrumento lector es más costoso. 28

43 Figura Conexión con 4 hilos. Por los cables 1 y 4 se hace circular una corriente I conocida a través de R (t) provocando una diferencia de potencial V en los extremos de R (t). Los cables 2 y 4 están conectados a la entrada de un voltímetro de alta impedancia luego por estos cables no circula corriente y por lo tanto la caída de potencial en los cables Rc2 y Rc3 será cero (dv=ic*rc=0*rc=0) y el voltímetro medirá exactamente el voltaje V en los extremos del elemento R(t). Finalmente el instrumento obtiene R (t) al dividir V medido entre la corriente I conocida Precauciones para una PT100 Finalmente se deben tener ciertas precauciones de limpieza y protección en la instalación de los Pt100 para prevenir errores por fugas de corriente. Es frecuente que cables en ambientes muy húmedos se deterioren y se produzca un paso de corriente entre ellos a través de humedad condensada. Aunque mínima, esta corriente "fugada" hará aparecer en el lector una temperatura menor que la real. Estas fugas también pueden ocurrir en óxido, humedad ó polvo que cubre los terminales. 29

44 Por la descripción hecha de los métodos de medición, queda claro que a diferencia de las termocuplas, no es posible conectar 2 unidades lectoras a un mismo Pt100 pues cada una suministra su corriente de excitación. En el momento de comprar un Pt100 se debe tener presente que existen distintas calidades y precios para el elemento sensor que va el extremo del Pt100. Los de mejor calidad están hechos con un verdadero alambre de platino. En general no se debe montar un Pt100 en lugares sometidos a mucha vibración pues es probable que se fracture Reguladores y compensadores de control Compensador: es un elemento que permite corregir un comportamiento dinámico de lazo cerrado. Por lo general tienen una ganancia estática igual a 1 y su trabajo es producir desplazamientos de fase. Regulador: es un elemento cuyo comportamiento de transmisión se ha seleccionado con miras a influenciar tanto el comportamiento dinámico como el comportamiento estático de lazo cerrado. Entre las tareas que se pueden encontrar como propósito, para un adecuado control de un sistema podemos tener: Estabilidad: el sistema en lazo cerrado debe de ser estable Compensación de perturbaciones y seguimiento de la entrada de referencia. Comportamiento dinámico. 30